高三物理一轮复习 选考部分 第13章 动量 光电效应 核能 第3节 核反应和核能教师用书

到乌蒙山区的昭通;从甘肃中部的定西，到内蒙古边陲的阿尔山，看真贫、知真贫，真扶贫、扶真贫，成为“花的精力最多”的事;“扶贫先扶志”“扶贫必扶智”“实施精准扶贫”第3节核反应和核能知识点1原子核的组成放射性及放射性同位素1原子核的组成(1)原子核由质子和中子组成，质子和中子统称为核子质子带正电，中子不带电(2)基本关系核电荷数质子数(Z)元素的原子序数核外电子数质量数(A)核子数质子数中子数(3)X元素的原子核的符号为X，其中A表示质量数，Z表示核电荷数2天然放射现象(1)天然放射现象：元素自发地放出射线的现象，首先由贝可勒尔发现天然放射现象的发现，说明原子核具有复杂的结构(2)放射性和放射性元素：物质发射某种看不见的射线的性质叫放射性具有放射性的元素叫放射性元素(3)三种射线：放射性元素放射出的射线共有三种，分别是射线、射线、射线3放射性同位素的应用与防护(1)同位素：具有相同质子数和不同中子数的原子核(2)放射性同位素：有天然放射性同位素和人工放射性同位素两类，放射性同位素的化学性质相同(3)应用：消除静电、工业探伤、作示踪原子等(4)防护：防止放射性对人体组织的伤害知识点2原子核的衰变、半衰期1原子核的衰变(1)定义：原子核放出粒子或粒子，变成另一种原子核的变化(2)分类：衰变：XYHe衰变：XYe辐射：当放射性物质连续发生衰变时，原子核中有的发生衰变，有的发生衰变，同时伴随着辐射(3)两个典型的衰变方程：衰变：UThHe；衰变：ThPae.2半衰期(1)定义：放射性元素的原子核有半数发生衰变所需的时间(2)影响因素：放射性元素衰变的快慢是由核内部自身的因素决定的，跟原子所处的化学状态和外部条件没有关系知识点3核反应和核能1核反应在核物理学中，原子核在其他粒子的轰击下产生新原子核的过程在核反应中，质量数守恒，电荷数守恒2重核裂变(1)定义：质量数较大的原子核受到高能粒子的轰击而分裂成几个质量数较小的原子核的过程(2)特点：裂变过程中能够放出巨大的能量；裂变的同时能够放出23(或更多)个中子；裂变的产物不是唯一的对于铀核裂变有二分裂、三分裂和四分裂形式，但三分裂和四分裂概率比较小(3)典型的裂变反应方程：UnKrBa3n.(4)链式反应：由重核裂变产生的中子使裂变反应一代接一代继续下去的过程(5)临界体积和临界质量：裂变物质能够发生链式反应的最小体积及其相应的质量(6)裂变的应用：原子弹、核反应堆(7)反应堆构造：核燃料、减速剂、镉棒、防护层3轻核聚变(1)定义：两轻核结合成质量较大的核的反应过程轻核聚变反应必须在高温下进行，因此又叫热核反应(2)特点：聚变过程放出大量的能量，平均每个核子放出的能量，比裂变反应中每个核子放出的能量大3至4倍聚变反应比裂变反应更剧烈对环境污染较少自然界中聚变反应原料丰富(3)典型的聚变反应方程：HHHen17.6 MeV4核能核子结合为原子核时释放的能量或原子核分解为核子时吸收的能量，叫做原子核的结合能，亦称核能5质能方程、质量亏损爱因斯坦质能方程Emc2，原子核的质量必然比组成它的核子的质量和要小m，这就是质量亏损由质量亏损可求出释放的核能Emc2. 核心精讲1 衰变、衰变的比较2.衰变次数的确定方法方法一：确定衰变次数的方法是依据两个守恒规律，设放射性元素X经过n次衰变和m次衰变后，变成稳定的新元素Y，则表示该核反应的方程为XYnHem根据质量数守恒和电荷数守恒可列方程AA4nZZ2nm由以上两式联立解得n，mZZ由此可见确定衰变次数可归结为求解一个二元一次方程组方法二：因为衰变对质量数无影响，可先由质量数的改变确定衰变的次数，然后根据衰变规律确定衰变的次数3对半衰期的理解(1)半衰期是大量原子核衰变时的统计规律，对个别或少数原子核，无半衰期可言(2)根据半衰期的概率，可总结出公式N余N原，m余m原.式中N原、m原表示衰变前的放射性元素的原子数和质量，N余、m余表示衰变后尚未发生衰变的放射性元素的原子数和质量，t表示衰变时间，表示半衰期(3)影响因素：放射性元素衰变的快慢是由原子核内部因素决定的，跟原子所处的物理状态(如温度、压强)或化学状态(如单质、化合物)无关题组通关1(多选)(2014全国卷)关于天然放射性，下列说法正确的是() 【导学号：96622228】A所有元素都可能发生衰变B放射性元素的半衰期与外界的温度无关C放射性元素与别的元素形成化合物时仍具有放射性D、和三种射线中，射线的穿透能力最强E一个原子核在一次衰变中可同时放出、和三种射线BCD自然界中绝大部分元素没有放射现象，选项A错误；放射性元素的半衰期只与原子核结构有关，与其他因素无关，选项B、C正确；、和三种射线电离能力依次减弱，穿透能力依次增强，选项D正确；原子核发生衰变时，不能同时发生和衰变，射线伴随这两种衰变产生，故选项E错误2(2015北京高考)实验观察到，静止在匀强磁场中A点的原子核发生衰变，衰变产生的新核与电子恰在纸面内做匀速圆周运动，运动方向和轨迹示意图如图1331所示，则()图1331A轨迹1是电子的，磁场方向垂直纸面向外B轨迹2是电子的，磁场方向垂直纸面向外C轨迹1是新核的，磁场方向垂直纸面向里D轨迹2是新核的，磁场方向垂直纸面向里D根据动量守恒定律，原子核发生衰变后产生的新核与电子的动量大小相等，设为p.根据qvB，得轨道半径r，故电子的轨迹半径较大，即轨迹1是电子的，轨迹2是新核的根据左手定则，可知磁场方向垂直纸面向里选项D正确3(1)(多选)Th(钍)经过一系列衰变和衰变，变成Pb(铅)以下说法中正确的是()A铅核比钍核少8个质子B铅核比钍核少16个中子C共经过4次衰变和6次衰变D共经过6次衰变和4次衰变(2)约里奥居里夫妇因发现人工放射性元素而获得了1935年的诺贝尔化学奖，他们发现的放射性元素P衰变成Si的同时放出另一种粒子，这种粒子是_.P是P的同位素，被广泛应用于生物示踪技术，1 mg P随时间衰变的关系如图1332所示，请估算4 mg的P经多少天的衰变后还剩0.25 mg?图1332【解析】(1)设衰变次数为x，衰变次数为y，由质量数守恒和电荷数守恒得2322084x90822xy解得x6，y4，C错、D对铅核、钍核的质子数分别为82、90，故A对铅核、钍核的中子数分别为126、142，故B对(2)写出衰变方程PSi01e，故这种粒子为01e(正电子)，由mt图知P的半衰期为14天，由m余m原得025 mg4 mg，故t56天【答案】(1)ABD(2)正电子56天名师微博1一个区别：静止的原子核在磁场中发生衰变和衰变时的轨迹不同，分别为相外切圆和相内切圆2两个结论：(1)原子核发生衰变时遵循电荷数守恒和质量数守恒(2)每发生一次衰变，原子核的质量数减小“4”，每发生一次衰变，原子核的质子数增大“1” 核心精讲1核反应的四种类型类型可控性核反应方程典例衰变衰变自发UThHe衰变自发ThPae人工转变人工控制NHeOH(卢瑟福发现质子)HeBeCn(查德威克发现中子)AlHePn(约里奥居里夫妇发现放射性同位素，同时发现正电子)PSi01e重核裂变比较容易进行人工控制UnBaKr3nUnXeSr10n轻核聚变很难控制HHHen2.核反应方程式的书写(1)熟记常见基本粒子的符号，是正确书写核反应方程的基础如质子(H)、中子(n)，粒子(He)、粒子(e)、正电子(01e)、氘核(H)、氚核(H)等(2)掌握核反应方程遵守的规律，是正确书写核反应方程或判断某个核反应方程是否正确的依据，由于核反应不可逆，所以书写核反应方程式时只能用“”表示反应方向题组通关4(2015北京高考)下列核反应方程中，属于衰变的是() 【导学号：96622229】A.NHeOHB.UThHeC.HHHenD.ThPaeB衰变是放射性元素的原子核放出粒子(He)的核反应，选项B正确5(2016全国丙卷)一静止的铝原子核Al俘获一速度为1.0107 m/s的质子p后，变为处于激发态的硅原子核Si*.下列说法正确的是()A核反应方程为pAlSi*B核反应过程中系统动量守恒C核反应过程中系统能量不守恒D核反应前后核子数相等，所以生成物的质量等于反应物的质量之和E硅原子核速度的数量级为105 m/s，方向与质子初速度的方向一致ABE核反应过程中遵循质量数守恒和电荷数守恒，核反应方程为pAlSi*，说法A正确核反应过程中遵从动量守恒和能量守恒，说法B正确，说法C错误核反应中发生质量亏损，生成物的质量小于反应物的质量之和，说法D错误根据动量守恒定律有mpvpmSivSi，碰撞后硅原子核速度的数量级为105 m/s，方向与质子初速度方向一致，说法E正确6(1)(多选)关于核衰变和核反应的类型，下列表述正确的有()A.UThHe是衰变B.NHeOH 是衰变C.HHHen 是轻核聚变D.SeKr2e 是重核裂变(2)现有四个核反应：A.HHHenB.UnXKr3nC.NaMgeD.HeBeCn_是发现中子的核反应方程，_是研究原子弹的基本核反应方程，_是研究氢弹的基本核反应方程求B中X的质量数和中子数【解析】(1)A为衰变，B为原子核的人工转变，C为轻核聚变，D为衰变，故A、C正确(2)D为查德威克发现中子的核反应方程；B是研究原子弹的基本核反应方程；A是研究氢弹的基本核反应方程X的质量数为：(2351)(893)144X的质子数为：923656X的中子数为：1445688.【答案】(1)AC(2)DBA14488名师微博两点提醒：1核反应方程一定满足质量数守恒和核电荷数守恒2在确定生成物是哪种元素时应先由核电荷数守恒确定生成物的核电荷数 核心精讲1对质能方程的理解(1)一定的能量和一定的质量相联系，物体的总能量和它的质量成正比，即Emc2.方程的含义：物体具有的能量与它的质量之间存在简单的正比关系，物体的能量增大，质量也增大；物体的能量减少，质量也减少(2)核子在结合成原子核时出现质量亏损m，其能量也要相应减少，即Emc2.(3)原子核分解成核子时要吸收一定的能量，相应的质量增加m，吸收的能量为Emc2.2核能的计算方法(1)根据Emc2计算，计算时m的单位是“kg”，c的单位是“m/s”，E的单位是“J”(2)根据Em931.5 MeV计算因1原子质量单位(u)相当于931.5 MeV 的能量，所以计算时m的单位是“u”，E的单位是“MeV”(3)根据核子比结合能来计算核能：原子核的结合能核子比结合能核子数师生共研考向1对原子核的结合能的理解(多选)关于原子核的结合能，下列说法正确的是()A原子核的结合能等于使其完全分解成自由核子所需的最小能量B一重原子核衰变成粒子和另一原子核，衰变产物的结合能之和一定大于原来重核的结合能C铯原子核(Cs)的结合能小于铅原子核(Pb)的结合能D比结合能越大，原子核越不稳定E自由核子组成原子核时，其质量亏损所对应的能量大于该原子核的结合能ABC原子核分解成自由核子时，需要的最小能量就是原子核的结合能，选项A正确；重核衰变时释放能量，衰变产物更稳定，即衰变产物的比结合能更大，衰变前后核子数不变，所以衰变产物的结合能之和一定大于原来重核的结合能，选项B正确；铯核的核子数比铅核的核子数少，其结合能也小，选项C正确；比结合能越大，原子核越稳定，选项D错误；自由核子组成原子核时，需放出能量，因此质量亏损所对应的能量等于该原子核的结合能，选项E错误考向2核能的计算钚的放射性同位素Pu静止时衰变为铀核激发态U*和粒子，而铀核激发态U*立即衰变为铀核U，并放出能量为0.097 MeV 的光子已知：Pu、U和粒子的质量分别为mPu239.052 1 u、mU235.043 9 u和m4.002 6 u,1 uc2931.5 MeV .(1)写出衰变方程；(2)已知衰变放出的光子的动量可忽略，求粒子的动能【规范解答】(1)衰变方程为PuU*He，U*U.或两式合并为PuUHe.(2)上述衰变过程的质量亏损为mmPumUm，由质能方程得Emc2由能量守恒得EEkUEkE设衰变后的铀核和粒子的速度分别为vU和v，则由动量守恒定律得mUvUmv又EkUmUv，Ekmv联立解得E(mPumUm)c2E，代入题给数据得E5.034 MeV.【答案】(1)PuUHe(2)5.034 MeV核能求解的思路方法1应用质能方程解题的流程图：书写核反应方程计算质量亏损m利用Emc2计算释放的核能2在动量守恒方程中，各质量都可用质量数表示3核反应遵守动量守恒和能量守恒定律，因此我们可以结合动量守恒和能量守恒定律来计算核能题组通关7恒星向外辐射的能量来自于其内部发生的各种热核反应，核反应方程为HeHeBe.以下说法正确的是()A该核反应为裂变反应B热核反应中有质量亏损，会放出巨大能量C由于核反应中质量数守恒，所以质量也是守恒的D任意原子核内的质子数和中子数总是相等的B该核反应为聚变反应，故A错误；核反应中的裂变和聚变，都会有质量亏损，都会放出巨大的能量，故B正确；核反应中质量数守恒，质量不守恒，故C错误；原子中原子核内的